以石英晶體微天平量測細懸浮微粒PM2.5質量濃度之可行性探討

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黃志琪(Chih-Chi Huang) 查詢紙本館藏

畢業系所

環境工程研究所在職專班

論文名稱

以石英晶體微天平量測細懸浮微粒PM2.5質量濃度之可行性探討
(A Feasibility Study of Monitoring PM2.5 using a Quartz Crystal Microbalance Sensor)

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摘要(中)

近年來許多研究報導指出，懸浮於環境中的微粒被人體吸入後可能對人體健康造成負面的影響，因此人們對於環境中懸浮微粒的質量濃度格外重視。本研究欲探討利用石英晶體微天平對於量測微量物質質量的精準度與靈敏度的優勢，評估運用於連續量測細懸浮微粒質量濃度之可行性，期望藉此幫助國人監測及評估環境中的空氣品質。本研究先透過選用合適的微粒類別及設計引流的方式，使空氣中的細懸浮微粒附著於壓電晶體的表面上；再透過控制環境濕度及氣流流速的方式，減少實驗過程中的干擾；最後，藉由不同的抽氣流量、引流口的角度及微粒之質量濃度等方式觀察微粒沉積於晶體過程中頻率的變化，藉此探討運用之可行性。
研究結果顯示石英晶體微天平有由低頻率往高頻率零點飄移的現象；並於抽氣流量0.5 LPM時，對頻率的變化影響比較小；且透過水平引流口的設計方式可使微粒無法經由重力沉降的方式持續進入引流道內；又其頻率的變化量與環境中細懸浮微粒質量濃度成正相關且具有1.8~3.6 μg/M3的量測能力。因此證實石英晶體微天平確實可做為量測空氣中細懸浮微粒質量濃度的量測元件；只要再經詳加地探討運用的操作限制後，即具有發展成為連續即時量測元件之潛力。

摘要(英)

In recent years, a growing body of researches has reported that particulate matter could adversely affect human health; therefore people have paid more attention on the concentration of particulate matter in the environment. Of its accurate and sensible measurement of particulate matter, this study sheds light on the feasibility of using quartz crystal microbalance (hereafter QCM) to continuously detect the concentration of particulate matter. The application of QCM is expected to help monitor and evaluate the air quality.
In the beginning we attach the particulate matter to the surface of crystal by selecting the appropriate particle type and designing the method of drainage, and control environmental humidity and air flow rate to reduce the interference in the experimental process. We can therefore observe the change of the frequency of the particles depositing in crystal by differentiating the pumping flow rate, the angle of the drainage port and the mass concentration of the particles to explore the feasibility of the application.
The results show that the QCM exhibits zero drift from low to high frequency. When the pumping flow rate is 0.5 LPM, the influence is insignificant. The design of the drainage port can deter particles from continuing entry to the drainage channel by gravity. Also, the change of frequency is positively correlated with the concentration of particulate matter and the sensibility is 1.8~3.6 μg/M3.
Our results suggest that the QCM can be used as a sensing component to measure particulate matter, and potentially it could be developed into a continuously and real-time monitoring components after careful discussion of the constraints.

關鍵字(中)

★ 石英晶體微天平
★ 微粒

關鍵字(英)

★ quartz crystal microbalance
★ particles

論文目次

摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 viii
第一章前言 1
1-1研究緣起 1
1-2研究目的 3
第二章文獻回顧 4
2-1石英晶體微天平(Quartz Crystal Microbalance，QCM) 4
2-1-1壓電效應 4
2-1-2質量附載效應 7
2-1-3石英晶體 8
2-1-4量測懸浮微粒質量濃度的發展及影響因子 11
2-2懸浮微粒生成機制及物化特性 22
2-2-1懸浮微粒的成份特性 23
2-2-2與氣象因子相關性 23
第三章研究方法 25
3-1 QCM及引流道的設計 26
3-2實驗環境的設計 29
3-2-1實驗環境的條件 30
3-2-2實驗儀器及設備 32
3-2-3微粒終端沈降速度 33
3-3效能評估 34
3-3-1穩定度的測試 35
3-3-2採樣流量的測試 35
3-3-3引流方向的測試 36
3-3-4質量濃度的測試 37
3-3-5資料分析 38
第四章結果與討論 39
4-1穩定度測試結果 39
4-1-1零點飄移的現象 39
4-1-2零點飄移的趨勢 40
4-2採樣流量的測試結果 41
4-2-1不同流量對頻率變化的影響 41
4-2-2不同流量對零點飄移的影響 46
4-2-3腔體內微粒的粒徑 47
4-3引流方向的測試結果 47
4-3-1不同引流方向對晶體頻率的影響 47
4-3-2對微粒粒徑的感測能力 49
4-4質量濃度的測試結果 49
4-4-1不同質量濃度對晶體頻率的影響 49
4-4-2零點飄移對量測質量濃度的影響 54
4-4-3不同質量濃度下對晶體頻率變化的預測 55
4-4-4對質量濃度的量測能力 56
第五章結論與建議 58
5-1結論 58
5-2建議 58
參考文獻 60
口試委員意見回覆 64

參考文獻

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指導教授

蕭大智(Ta-Chih Hsiao)

審核日期

2017-7-20

推文